基于整車E/E架構功能分配的方法研究

李 瑋

（中國第一汽車集團有限公司 智能網聯開發院，長春 130011）

主題詞：E/E架構 功能分配 方法

1 E/E架構

E/E(Electrical/Electronics)架構是整車電子電氣功能的總體布置，是整車各電子電氣系統間的總體規劃、協調和平衡，是基于全局的整車電子電氣總體開發[1]。E/E架構的設計內容包括功能需求分析、功能定義、功能分配、網絡通訊和線束拓撲、功能安全等方面的內容。隨著電子技術、通迅技術、控測感知等技術的成熟，汽車進入了“有人駕駛”和“無人駕駛”的過渡期，尤其是近年互聯控制、互聯共享以及互聯駕駛在汽車行業的興起，汽車研發也從“人-車-路”的閉環研究向“智能-車-路”的閉環研究轉換。無人駕駛車輛的研發在不斷的試錯中積累經驗并不斷完善，也是新功能逐漸增加或合并的過程，新功能的增加必然導致架構設計的復雜性或多樣化。功能分配是架構設計中的關鍵環節，功能分配的合理性直接影響整車的成本、開發質量和開發進度。

功能分配主要有兩種情況：一是建立全新平臺架構的功能分配；二是在現有的架構平臺上增加新功能的功能再分配。第一種情況是整車架構平臺更新換代時使用，而在現實的架構設計中第二種情況時有發生，而且對全新設計也不失通用性和適用性。本文重點論述如何在現有的架構上增加新功能的分配方法。

2 功能分配

2.1 功能分配的前提

功能分配是架構設計的中間步驟，功能分配設計須具備一定的前提條件才能進行。E/E架構設計始于功能需求?；赑REEvision工具的開發過程，功能需求可轉化為整車E/E功能列表后導入PREEvision系統，根據功能列表，制定每條功能的功能規范。功能規范涉及到功能的具體定義以及實現功能所需的相關的輸入輸出條件。功能的邏輯架構是以功能規范為基礎設計的功能模型，功能分配是將不同的功能模型映射到控制模塊的過程。功能分配是架構設計中的一個關鍵步驟，通過功能分配，導出最終的架構設計方案，形成網絡拓撲，輸出最終的系統方案。本文重點討論功能分配的分析過程。如圖1是功能分配設計過程圖（其中虛框內為功能分配過程）。功能分配的前提條件是各功能的功能規范以及邏輯模型等。

圖1 功能分配設計流程

2.2 功能分配的方法

在現有的架構上增加新功能時，關鍵是在實現功能要求的情況下，傳感部件和執行部件優先考慮利用原車現有資源，對控制部分盡可能避免增加額外的控制單元，最理想的當然是只增加新軟件而不增加硬件的成本。原則上還要考慮線束的布局，整車功能的不同配置等因素。要達到這種目的，首先需要充分了解現有的架構形式，圖2是目前典型的架構形式。

圖2 典型的汽車E/E架構[2]

汽車E/E架構目前是分成不同的域，比如動力域、底盤域、信息娛樂域、自動駕駛域等等。圖2是為說明下面的例子只標出相應的幾條總線。新功能增加主要考慮以下幾點：

（1）現有E/E架構不能有改變；

（2）在增加新功能后，所有總線負載不能超過閾值（比如55%）；

（3）新功能增加導致不同CAN總線上的幀的延遲不能超過每個幀的最大限值[3]（比如100 ms）；

（4）新功能的執行時間不能超過功能規范要求的最大值（比如2 000 ms）；

（5）控制器的負荷不能超過其硬件處理的最大能力。

以智能遠光功能為例說明在現有架構上增加新功能的分析方法。根據功能規范、智能遠光功能的接口由5個輸入功能和2個輸出功能組成，如圖3所示。

按照功能規范，智能遠光功能的輸入1是設置整個系統的開啟與關閉的選項，這個通常是在主機屏幕上進行設置；輸入2是指燈光開關的狀態，表明燈光開關是處于自動擋，且是非人為的遠光行為；輸入3是環境識別，包括本車道是否有車、對面車道是否有來車、路燈識別以及是否有霧的識別；輸入4是識別白天和夜晚，當然只有在夜晚才存在是否點亮遠光的狀況；輸入5是車速的識別，只有車速大于一定限值時才能開啟智能遠光的功能。所有的輸入條件輸入到控制模塊，經過控制模塊的邏輯判斷后給出兩個輸出。輸出1是控制遠光的點亮與熄滅，輸出2是顯示智能遠光的工作狀態。

圖3 輸入輸出功能接口

從以上功能描述可知，輸入與輸出都是原車上現有的部件和已具備的條件，但是如何映射到邏輯模塊中進行重新分配而實現一個新的功能。在做功能分配時往往是將邏輯模塊再分到更細的子功能模塊，由不同的映射結果得出不同的分配方案。

2.3 功能分配方案

以上實例是在現有的架構中增加新的功能，因此原架構的狀態是已知的，包括整車控制器的數量、各控制器的負荷、總線的通訊速率、總線負載等。對于智能遠光功能有很多要求，簡化時序約束影響如下：

a)功能從開啟設置到響應時間不超過25 ms

b)功能從感知到執行遠光燈點亮時間不超過500 ms

由于原架構方案為燈光開關的硬線信號以及白天夜晚的識別信號接入車身控制器（BCM），遠光燈的驅動也由BCM來完成，為不增加額外的硬件負荷，以下分配方案中仍保持原架構方案的接口。因此以上智能遠光的功能可形成以下4種典型的功能分配方案：

圖4 功能分配方案1

功能分配方案1：如圖4所示，將輸入1、輸入2、輸入3及輸入5分配給BCM，將輸入4分配給數據處理及控制模塊（MODEL），MODEL將識別到的原始數據處理后，對外發送有車、無車、路燈及霧天的結果信息給BCM，由BCM結合整車的其它輸入條件綜合判斷后，最終決定遠光燈的自動點亮或熄滅，以及發送給組合儀表顯示自動遠光的狀態信息。

圖5 功能分配方案2

功能分配方案2：如圖5所示，將輸入1、輸入4、輸入5分配給MODEL，實現的邏輯是由該模塊做判斷，將遠光點亮或熄滅的結果發送給BCM，由BCM結合輸入2和輸入3最終決定遠光燈點亮或熄滅，以及發送給組合儀表顯示自動遠光的狀態信息。

圖6 功能分配方案3

功能分配方案3：如圖6所示，BCM將輸入2和輸入3的信息通過總線發送給MODEL，輸入1、輸入4、輸入5分配給MODEL，由該模塊綜合判斷所有的情況最終決定遠光燈的點亮或熄滅，將最終的結果通過總線發送給BCM，由BCM驅動遠光燈的點亮或熄滅，以及儀表的遠光燈狀態指示信息。

圖7 功能分配方案4

功能分配方案4：如圖7所示，將所有的輸入條件都分配給BCM，由BCM接收路面識別的攝像頭信息并集成算法，綜合判斷所有條件后給出最終驅動遠光燈的點亮或熄滅，以及儀表的遠光燈狀態指示信息。

2.4 功能分配分析

按上節的功能分配方案和現有的通用的架構形式可導出如下信息流。其中IN2/IN3/OUT1部分的信號流為原架構中已存在的信息，對該功能分配無影響；IN4/IN1/IN5/OUT2的信息流雖然是由于新增功能而增加的信息流，但對這幾種功能分配方案無影響；重點考慮MODEL和BCM的信息流變化情況。

圖8 功能分配方案1的信息流

圖8 為功能分配方案1的新增功能給控制器帶來的負載的增加和通訊時延的示意圖。從圖8分析來看，端到端的總時延小于500 ms，MODEL的負載增加10%，BCM的負載增加2%；CAN1/CAN2/CAN3/CAN4傳輸的都是少數的信號，總的總線負載增加3%；該方案滿足功能要求和總線負載要求，表明該方案可行。

圖9 功能分配方案2的負載和通訊時延

圖9為功能分配方案2的新增功能給控制器帶來的負載的增加和通訊時延的示意圖。從圖9分析來看，該方案MODEL的負載增加12%；BCM的負載增加2%；總的總線負載增加3%；端到端的時延小于500 ms，滿足功能設計要求，控制器也能承擔負載的增加，表明該方案可行。

圖10為功能分配方案3的新增功能給控制器帶來的負載的增加和通訊時延的示意圖。從圖10分析來看，所有的輸入都發給MODEL，由MODEL做統合各條件進行判斷做出輸出的決策，因此MODEL控制器負載增加15%；BCM的負載可忽略；總線通訊的負載增加4%；端到端的時延小于500 ms，表明該分配方案可行。

圖10 功能分配方案3的負載和通訊時延

圖11 功能分配方案4的負載和通訊時延

圖11 為功能分配方案4的新增功能給控制器帶來的負載的增加和通訊時延的示意圖。從圖11分析來看，所有的輸入條件（有的輸入需經過網關）都分配給BCM，由BCM做圖象處理，信息綜合判斷，最終得出支持兩個輸出。由于原車BCM只做開關量等簡單的邏輯判斷，新增的圖像處理使BCM負載增加50%；整車總線負載增加2%；端到端的通訊時延小于500 ms。該方案已超出BCM控制器的負荷，因此方案不可行。

功能分配設計時不僅要考慮控制器的負載和總線負載，還要考慮端到端的功能延遲、功能分配對成本的影響、整車質量的影響以及擴展性進行分析與比較，見表1。

表1 功能分配方案比較

綜上所述，增加新功能的不同的分配方案給控制器和總線都帶來一定的負載變化。方案四的BCM負載超出了原有BCM硬件所允許的最大值，勢必導致要更換新的BCM，與設計初衷相違背，線束上增加成本高的同軸電纜，布置也較為困難。而其它幾個方案基本都能滿足功能的要求，但做功能分配設計時還有個考量是相同類似的功能放到一個控制單元中，可簡化軟件和硬件設計，還要根據各整車廠的平臺資源、車型的變型等合理地選配。當然表格中比較數據是為說明分析方法的相對數據，而非實測數據。

2.5 功能分配的評價

以上討論了功能分配主要考慮的因素，但分配后的結果對整車而言如何進行評價是關鍵。好的E/E架構設計即能節約成本又能具有良好的擴展性以滿足現在用戶的個性化需求。對功能分配的評價主要是4個大的方向：

（1）成本：包括ECU的成本、網絡通訊的成本、線束布置帶來的成本；

（2）性能：包括網絡的負載及響應時間、功能端到端的時延、CPU的響應速度；

（3）可擴展性：包括CPU的計算能力、網絡的帶寬余量、車型從低配到高配的功能可覆蓋性；

（4）功能安全：包括滿足ISO 26262的安全等級要求[4]。

通過工具來進行各方案的功能分配方案及評價，也要結合不同級別的車型以及產量的大小，達到成本與性能的最優化。

3 結束語

功能分配的方法可是基于PREEvision工具來實現的。通過建立功能模型，到不同的映射體現不同的功能分配結果，并對不同的方案進行時序分析、負載分析、成本分析、可擴展性和功能安全分析，以確保設計之初的方案合理性。這種方法不僅能加速開發過程，而且對不同產品、不同的變型管理之間、功能及功能規范需求之間都有可追溯性，減少后期設計變更[5]。因此說，合理的功能分配是汽車E/E架構設計中重要的環節。